葛良鵬鄒賢剛劉作華
(1 重慶市畜牧科學(xué)院,重慶 402460;2 農(nóng)業(yè)部養(yǎng)豬科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 402460;3 養(yǎng)豬科學(xué)重慶市市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 402460)
人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的研究進(jìn)展與趨勢(shì)
葛良鵬1鄒賢剛2劉作華3
(1 重慶市畜牧科學(xué)院,重慶 402460;2 農(nóng)業(yè)部養(yǎng)豬科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 402460;3 養(yǎng)豬科學(xué)重慶市市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 402460)
葛良鵬,博士,研究員,主要從事動(dòng)物資源的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)研究。
E-mail:geliangpeng1982@163.com
劉作華,博士,研究員,主要從事動(dòng)物資源保護(hù)與開(kāi)發(fā)利用工作。
E-mail:liuzuohua66@163.com
人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物是人源化抗體藥物開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略核心資源,能為抗體序列發(fā)現(xiàn)提供源頭創(chuàng)新保障,并為突發(fā)性生物安全事件提供應(yīng)急預(yù)案。文章對(duì)人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的發(fā)展歷程進(jìn)行綜述回顧,重點(diǎn)介紹目前世界上常用的人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物品系,并對(duì)其應(yīng)用情況和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析展望。
BRüGGEMANN M, CASKEY H M, TEALE C, et al. A repertoire of monoclonal antibodies with human heavy chains from transgenic mice. Proc Natl Acad Sci U S A, 1989, 86(17):6709-6713.
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人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物是指利用基因工程技術(shù),將動(dòng)物體內(nèi)的免疫球蛋白基因用人類(lèi)的免疫球蛋白基因替換,從而使轉(zhuǎn)基因動(dòng)物體內(nèi)的人免疫球蛋白基因發(fā)生重排和突變,直接表達(dá)產(chǎn)生人類(lèi)的抗體蛋白,利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物重排后的人抗體基因序列或抗體蛋白,通過(guò)細(xì)胞工程和蛋白質(zhì)工程技術(shù)手段,制備出臨床使用的人源化抗體,用于重大疾病(如腫瘤)的治療或突發(fā)性生物安全事件(如SARS、EBOLA等)的防控。截至2015年底,60余個(gè)來(lái)源于轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的人源化抗體進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段,其中8個(gè)獲得FDA批準(zhǔn)進(jìn)入市場(chǎng)應(yīng)用。人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物已成為抗體開(kāi)發(fā)的核心工具動(dòng)物,對(duì)改善人民群眾的健康水平和保障公共衛(wèi)生安全方面具有重要的作用和意義。
人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的培育大致可分為三個(gè)不同的發(fā)展階段:第一代人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物主要以能在動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生人類(lèi)的抗體蛋白為標(biāo)志;第二代人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物增加了轉(zhuǎn)入的人免疫球蛋白基因片段,使人類(lèi)抗體在動(dòng)物體內(nèi)重排多樣性得到進(jìn)一步增加;第三代人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物重點(diǎn)解決了轉(zhuǎn)入的人免疫球蛋白基因片段與動(dòng)物B細(xì)胞發(fā)育的匹配性問(wèn)題,使得抗體的產(chǎn)量和質(zhì)量進(jìn)一步提升。
1.1 第一代人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物
Brüggemann博士于1989年最早報(bào)道人類(lèi)免疫球蛋白基因能在動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行重排和表達(dá),在技術(shù)上驗(yàn)證了培育轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)人類(lèi)抗體的可行性 。隨后,1Lonberg小組和Green小組在1994年分別成功培育出了人源化抗體轉(zhuǎn)基因小鼠,使培育人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)人類(lèi)抗體蛋白成為現(xiàn)實(shí)23。
早期的人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物直接將人的免疫球蛋白基因轉(zhuǎn)入動(dòng)物體內(nèi),使其重排產(chǎn)生人類(lèi)抗體蛋白。但由于動(dòng)物會(huì)優(yōu)先使用自身的免疫球蛋白基因,因此轉(zhuǎn)入的人免疫球蛋白基因的重排和表達(dá)受內(nèi)源性免疫球蛋白基因影響較大,為克服這一問(wèn)題,培育的第一代人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物是在轉(zhuǎn)入人免疫球蛋白基因的同時(shí),對(duì)動(dòng)物內(nèi)源性免疫球蛋白基因(重鏈、к輕鏈和λ輕鏈)進(jìn)行失活4。
1.2 第二代人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物
人免疫球蛋白重鏈(hIgH)基因約有1250kb,人免疫球蛋白к輕鏈(hIgκ)基因約1820kb,人免疫球蛋白λ輕鏈(hIgλ)基因約900kb。要在體外獲得如此長(zhǎng)的基因片段并將其完整導(dǎo)入到動(dòng)物體內(nèi)、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定遺傳具有較高的技術(shù)難度。500kb的基因片段是體外基因操作的極限5,因此,第一代人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物中的人免疫球蛋白基因已進(jìn)行了改造,一般轉(zhuǎn)入500kb以下的免疫球蛋白基因片段,盡管能夠獲得人類(lèi)抗體蛋白,但受轉(zhuǎn)入基因片段調(diào)控區(qū)的限制,其重排多樣性受到制約。
第二代人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物是在第一代基礎(chǔ)上,重點(diǎn)解決免疫球蛋白超大基因的穩(wěn)定轉(zhuǎn)基因、增加人類(lèi)抗體重排多樣性的問(wèn)題。第二代人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物利用胚胎干細(xì)胞和基因同源重組技術(shù),采用多次介導(dǎo)小片段基因轉(zhuǎn)入和體內(nèi)同源重組技術(shù)實(shí)現(xiàn)了完整的人免疫球蛋白基因穩(wěn)定轉(zhuǎn)入,使抗體重排多樣性得到保障。但這一技術(shù)目前已有專(zhuān)利保護(hù),進(jìn)行商業(yè)化開(kāi)發(fā)需要獲得專(zhuān)利許可。
1.3 第三代人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物
免疫球蛋白除了能夠重排表達(dá)形成抗體外,在B細(xì)胞的發(fā)育過(guò)程中也扮演重要的角色。B細(xì)胞發(fā)育早期階段所需的B細(xì)胞受體(B cell receptor,BCR)由免疫球蛋白重鏈與信號(hào)蛋白Igα和Igβ分子組成。在人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物中,BCR中人的免疫球蛋白重鏈與動(dòng)物自身信號(hào)蛋白的Igα和Igβ的相互匹配性并不是最優(yōu)的,因此對(duì)B細(xì)胞的早期發(fā)育、B細(xì)胞分化抗體類(lèi)型轉(zhuǎn)換、親和力成熟都具有重要的影響6。
LONBERG N. Human antibodies from transgenic animals. Nat Biotechnol, 2005, 23(9):1117-1125.
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為解決以上問(wèn)題,VelocImmune和Kymab人源化抗體轉(zhuǎn)基因小鼠僅將小鼠免疫球蛋白的V區(qū)、D區(qū)和J區(qū)全部替換為人免疫球蛋白V區(qū)、D區(qū)和J區(qū),解決早期B細(xì)胞發(fā)育的問(wèn)題,抗體的表達(dá)量和親和力得到進(jìn)一步的改進(jìn),但其產(chǎn)生抗體為人鼠嵌合抗體,需要二次改造才能形成全人源化抗體 。2016年,重慶市畜牧科學(xué)院成功培育出中國(guó)的人源化抗體轉(zhuǎn)基因小鼠(CAMouse),其采用時(shí)空特異性表達(dá)技術(shù),在B細(xì)胞發(fā)育的早期階段,免疫球蛋白重排形成鼠源BCR,解決B細(xì)67胞發(fā)育的匹配性問(wèn)題,而在B細(xì)胞發(fā)育到漿細(xì)胞階段,免疫球蛋白重排直接表達(dá)形成人類(lèi)抗體蛋白,這樣轉(zhuǎn)基因小鼠B細(xì)胞的早期發(fā)育、B細(xì)胞分化抗體類(lèi)型轉(zhuǎn)換、親和力正常。
12 參考文獻(xiàn)
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英國(guó)生物制藥公司Kymab與上海岸邁生物科技有限公司EpimAb Biotherapeutics宣布一項(xiàng)技術(shù)互相授權(quán)及合作協(xié)議. (2016-10-12)[2016-10-30]. http://www.xinjr.com/caijing/ redian/2016-10-12/371234.html.
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由于人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物培育難度較大,截至2015年底,全球僅有少數(shù)幾家單位成功培育出能生產(chǎn)全人源化抗體的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物,其他抗體研發(fā)公司基本上都是與以上單位進(jìn)行合作利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物研制人源化抗體。此外,Therapeutic Human Polyclonals Inc(THP)、Ablynx、Origen Therapeutics、Revivicor等公司目前也在利用兔、駱駝、雞和豬開(kāi)展人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的研究,但尚在進(jìn)行之中,因此本小節(jié)僅介紹已培育成功的世界主流人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物89。
2.1 XenoMouse小鼠
XenoMouse小鼠是由Cell Genesys公司的Green博士領(lǐng)銜培育出的第一代人源化抗體轉(zhuǎn)基因小鼠。早期的XenoMouse轉(zhuǎn)入的人免疫球蛋白基因片段僅含有5個(gè)重鏈V區(qū)和2個(gè)к輕鏈V區(qū),后經(jīng)優(yōu)化升級(jí),目前XenoMouse攜帶有人IgH和Igк的主要基因序列,其中人IgH約1.0Mb(含有34個(gè)V區(qū),23個(gè)D區(qū),6個(gè)J區(qū),以及Cμ、Cδ),人Igк約0.8Mb(包括32個(gè)V區(qū),完整的J區(qū),C區(qū),KDE,Igк intronic和3’增強(qiáng)子),而小鼠自身的IgH和Igк已被失活。該品系小鼠可以識(shí)別人類(lèi)的蛋白作為抗原,產(chǎn)生體液免疫反應(yīng)。利用XenoMouse小鼠,從體內(nèi)免疫到利用雜交瘤技術(shù)篩選出人源化抗體,只需3個(gè)月的時(shí)間,篩選出的抗體親和力可達(dá)pM10。1996年,Cell Genesys公司將XenoMouse小鼠業(yè)務(wù)分拆出來(lái)成立Abgenix公司,2005年,Amgen公司花費(fèi)22億美元,收購(gòu)Abgenix公司11。
2.2 UltiMab 小鼠
UltiMab小鼠與XenoMouse小鼠同步出現(xiàn),由美國(guó)Medarex公司Lonberg博士領(lǐng)銜培育而成。UltiMab小鼠與XenoMouse小鼠性質(zhì)類(lèi)似,轉(zhuǎn)入了人IgH和Igк的主要基因,同時(shí)使小鼠自身的IgH和Igк失活,差異在于UltiMAb小鼠采用原核注射的方式培養(yǎng),而XenoMouse采用酵母原生質(zhì)融合的方式培育而成2。Ulti-MAb小鼠經(jīng)過(guò)幾代的發(fā)展,已由最初的3個(gè)重鏈V區(qū)、4個(gè)к輕鏈V區(qū)發(fā)展成能產(chǎn)生所有抗體亞型的人源化抗體轉(zhuǎn)基因小鼠,并開(kāi)發(fā)了30余個(gè)抗體藥物進(jìn)入臨床4。2009年,百時(shí)美施貴寶支付24億美元收購(gòu)Medarex公司試驗(yàn)12。
2.3 Harbour 小鼠
Harbour公司目前擁有H2L2和HCAB兩個(gè)品系的小鼠。H2L2小鼠內(nèi)源性的抗體表達(dá)被失活,同時(shí)轉(zhuǎn)入了嵌合的人/大鼠/小鼠的免疫球蛋白基因。其轉(zhuǎn)入的免疫球蛋白重鏈基因包括18個(gè)人的V區(qū),19個(gè)人的D區(qū),6個(gè)人的J區(qū),大鼠的C區(qū)及小鼠的LCR區(qū),轉(zhuǎn)入的免疫球蛋白к輕鏈包括11個(gè)人的V區(qū),5個(gè)人的J區(qū),1個(gè)大鼠的C區(qū),同時(shí)在大鼠C區(qū)的兩側(cè)各有1個(gè)小鼠的增強(qiáng)子。其產(chǎn)生的抗體親和力可達(dá)(p~n)Molar。HCAB品系為單鏈特異性抗體轉(zhuǎn)基因小鼠,小鼠自身的重鏈C區(qū)和к輕鏈被敲除,轉(zhuǎn)入的人免疫球蛋白重鏈基因部分包括8個(gè)人V3區(qū),1個(gè)人V6區(qū),人AIID區(qū)和6個(gè)人的J區(qū),同時(shí)還帶有小鼠Cγ和小鼠LCR區(qū)。該品系小鼠可用于雙功能抗體和四價(jià)抗體的開(kāi)發(fā)13。
2.4 OmniAb
OmniAb目前擁有3個(gè)不同品系的人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物,即Omni-Rat、OmniMouse以及OmniFlic,由英國(guó)Marianne Brüggemann博士主導(dǎo)培育而成。OmniRat攜帶有嵌合的人/大鼠免疫球蛋白重鏈基因(包括22個(gè)人V區(qū),所有的人D區(qū)和J區(qū),以及大鼠的C區(qū))和人的免疫球蛋白輕鏈(12個(gè)人к輕鏈V區(qū)和Jk-Ck,16個(gè)人λ輕鏈V區(qū)和Jλ-Cλ),同時(shí)利用鋅指核酸酶對(duì)大鼠內(nèi)源性免疫球蛋白基因進(jìn)行滅活。OmniRat具有正常大鼠相近的免疫功能,免疫1只OmniRat,通過(guò)雜交瘤技術(shù)可獲得約1600個(gè)克隆,其中陽(yáng)性克隆為148個(gè)(正常SD大鼠約可獲得3520個(gè)克?。?。 OmniMouse小鼠培養(yǎng)方式與OmniRat類(lèi)似,但其攜帶的人免疫球蛋白V區(qū)要多于OmniRat。OmniFlic是用于單鏈抗體開(kāi)發(fā)的人源化抗體轉(zhuǎn)基因大鼠,與OmniRat相比,僅在人免疫球蛋白輕鏈方面存在差異,OmniFlic僅攜帶有重排后的單個(gè)Vk-Jk-Ck,其可避開(kāi)雜交瘤技術(shù)獲得抗體基因的相關(guān)信息14。2013年,藥明康德宣布引入OmniRat開(kāi)展人源化抗體合作研究15。
2.5 VelocImmune小鼠
VelocImmune小鼠是美國(guó)Regeneron公司培育的人源化抗體轉(zhuǎn)基因小鼠,其將小鼠IgH和Igк的V區(qū)精確地替換為對(duì)應(yīng)的人IgH和Igк的V區(qū),保留了小鼠自身的所有C區(qū)及其他基因表達(dá)調(diào)控元件。通過(guò)連續(xù)三次同源重組,VelocImmune小鼠最終攜帶了人IgH的80個(gè)V區(qū)和Igк的40個(gè)V區(qū)。該小鼠具有正常小鼠類(lèi)似的免疫反應(yīng)特性和抗體產(chǎn)量,已開(kāi)發(fā)了10余種抗體進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段,但該小鼠存在的問(wèn)題是產(chǎn)生的抗體是人鼠嵌合抗體,需要進(jìn)行二次改造才能實(shí)現(xiàn)全人源化7。
2.6 Kymab小鼠
Kymab小鼠由英國(guó)Kymab公司和Sanger研究所共同培育而成,其構(gòu)建策略與VelocImmune小鼠類(lèi)似,也是將小鼠IgH和Igк的V區(qū)精確地替換為對(duì)應(yīng)的人IgH和Igк的V區(qū),保留了小鼠自身的所有C區(qū)及其他基因表達(dá)調(diào)控元件6。細(xì)微的差別是VelocImmune小鼠采用的經(jīng)典的同源重組策略實(shí)現(xiàn)完整的V區(qū)替換,而Kymab是采用的Cre介導(dǎo)的同源重組技術(shù)實(shí)現(xiàn)完整的V區(qū)替換,雙方的專(zhuān)利沖突較大,2016年10月,英國(guó)Kymab公司宣布與中國(guó)岸邁生物科技有限公司進(jìn)行技術(shù)互相授權(quán)及合作16。
2.7 CAMAB小鼠
CAMAB小鼠由中國(guó)重慶市畜牧科學(xué)院培育而成,包括兩類(lèi)抗體小鼠:CAMouseHG生產(chǎn)全人源抗體,CAMouseH生產(chǎn)全人源單域抗體(全人源納米抗體)。CAMouse小鼠攜帶有經(jīng)改造的人免疫球蛋白重鏈、人免疫球蛋白к輕鏈和λ輕鏈基因,同時(shí)對(duì)小鼠內(nèi)源性免疫球蛋白基因進(jìn)行了滅活。CAMouseHG和CAMouseH的最大特點(diǎn)是具有人/小鼠免疫球蛋白時(shí)空轉(zhuǎn)換表達(dá)特性,在B細(xì)胞發(fā)育的早期階段,形成鼠源BCR結(jié)構(gòu),確保小鼠B細(xì)胞的正常發(fā)育,在B細(xì)胞發(fā)育至漿細(xì)胞階段,則又利用人源的Gamma區(qū)進(jìn)行重排和表達(dá),生產(chǎn)人源IgG。CAMouse小鼠的B細(xì)胞發(fā)育正常,抗體表達(dá)量高,重排多樣性豐富,根據(jù)目標(biāo)抗體的需要,可以選擇使用抗體小鼠。
2006年,利用XenoMouse開(kāi)發(fā)的panitumumab獲得美國(guó)FDA批準(zhǔn)進(jìn)入臨床使用,這是第一個(gè)獲批的來(lái)源于轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的人源化抗體,截至2015年底,共有8個(gè)來(lái)源于轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的人源化抗體獲得FDA批準(zhǔn)(表1),適應(yīng)證主要以腫瘤和自身免疫疾病治療為主,包括明星抗體P D-1與CTLA-4抗體,均由轉(zhuǎn)基因動(dòng)物開(kāi)發(fā)而來(lái),目前來(lái)源于轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的抗體全球年銷(xiāo)售額已超過(guò)30億美元。自1996年以來(lái),共有130余個(gè)人源化抗體進(jìn)入臨床試驗(yàn),其中利用人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物共開(kāi)發(fā)了60余種治療性抗體,約占全部人源化抗體的一半,已有21個(gè)完成臨床試驗(yàn),22個(gè)在進(jìn)行臨床試驗(yàn)(7個(gè)Ⅰ期,14個(gè)Ⅱ期,1個(gè)Ⅲ期)。根據(jù)統(tǒng)計(jì),來(lái)源于轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的全人源化抗體從Ⅱ期到Ⅲ期以及從Ⅲ期到獲得FDA許可的比例要高于其他方法制備的人源化抗體17。
表1 美國(guó)FDA批準(zhǔn)上市的來(lái)源于轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的抗體藥物年份 靶抗原 抗體名稱(chēng) 適應(yīng)證2006 EGFR penitumumab 頭頸癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤和惡性星型細(xì)胞瘤等IL-12和IL-23 ustekinumab 銀屑病IL-1β canakinumab 家族性寒冷自身免疫綜合征CD20 ofatumumab 慢性淋巴細(xì)胞白血病2009 2010 RANKL denosumab 骨質(zhì)疏松、關(guān)節(jié)炎和骨癌CTLA-4 ipilimumab 轉(zhuǎn)移性黑色素瘤2013 TNF-α golimumab 成人活動(dòng)型風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎2014 PD-1 nivolumab 黑素細(xì)胞惡性腫瘤
隨著基因編輯技術(shù)的快速發(fā)展,未來(lái)將會(huì)在越來(lái)越多的物種上培育出人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物,其功能特性也將日趨完善,但相關(guān)專(zhuān)利保護(hù)則是在培育人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物初期就需要優(yōu)先考慮的問(wèn)題。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物仍將是人源化抗體開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)核心技術(shù),而人源化抗體轉(zhuǎn)基因大動(dòng)物和單鏈抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物將是對(duì)現(xiàn)有人源化抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的重要補(bǔ)充18。
人源化抗體轉(zhuǎn)基因大動(dòng)物在短期內(nèi)可以大量產(chǎn)生特異性抗體,在公共安全事件防控方面具有重要的作用。盡管日本Kyowa Hakko Kirin公司已培育出全人源化轉(zhuǎn)基因牛,但由于其采用的技術(shù)存在一定的缺陷,難以穩(wěn)定遺傳,目前尚無(wú)法正常使用,需要進(jìn)一步完善19。在培育大型轉(zhuǎn)基因動(dòng)物時(shí),除了通用技術(shù)外,還需要考慮其繁殖性能、生物凈化難易程度等特性。綜合考慮,利用豬和兔等大型或高繁殖性能的動(dòng)物將是未來(lái)的重要補(bǔ)充。
來(lái)源于駝科的單鏈抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物由于分子量小,穿透力強(qiáng),能夠通過(guò)常規(guī)抗體無(wú)法到達(dá)的部位,具有重要的醫(yī)藥價(jià)值,已受到廣泛的關(guān)注。目前,已有多家單位開(kāi)展單鏈抗體轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的培養(yǎng),相信這一領(lǐng)域近期內(nèi)會(huì)取得越來(lái)越多的進(jìn)展。
[本研究項(xiàng)目獲國(guó)家國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)(2013DFA31820)、“863”項(xiàng)目(2014AA021602)、重慶市基礎(chǔ)與前沿研究(CSTC2013jcyjC80001)、重慶市國(guó)際合作項(xiàng)目(CSTC2013gjhz80002)、重慶市農(nóng)發(fā)資金(12402)資助。]
10.3969/j.issn.1674-0319.2016.06.005
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